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第3章 溢流坝剖面设计及其计算
溢流重力坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物，除应满足稳定和强度要求外，还需满足泄洪特征，水利枢纽布置，水库运用方式及下游河床安全等要求。
1.1 溢流坝剖面设计
1.1.1 溢流坝孔口设计
溢流坝孔口尺寸的拟定包括泄水前总密度、堰顶高程以及数目和尺寸。 1. 洪水标准
洪水标准包括洪峰流量和洪水总量，是确定孔尺寸，进行水库调洪演算的重要依据，根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》的规定，永久性一级水工建筑物的洪水重现期采用正常运用作（设计）情况为2000～500，非常运用（校核）情况为5000。
门全开时，下泄流量与堰上水头H0的3/2次方成正比。随着库水位的升高，下泄流量可以增加，当遇到意外洪水时，可有较大的下泄能力，闸门在顶部，操作方便，易于检修，工作安全可靠。
2. 溢流下泄流量的确定
根据水库规划及建筑特性指标，通过溢流坝下泄的流量Q为设计洪水下泄能 力为19276.00m3/s，校核洪水下泄能力为24527.00 m3/s。
3. 孔口形式的选择
采用坝顶溢流形式，坝顶设闸门，坝顶溢流式闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大，当闸门全开时，下泄流量与堰上水较小，孔口尺寸可以较大，当闸门全开时，下泄流量与堰上水头H0的3/2次方成正比。随着库水位的升高，下泄流量可以增加，当遇到意外洪水时可有较大的宣泄能力，闸门在顶部，操作方便，易于检修工作安全可靠。
4. 溢流孔口尺寸的确定
（1）单宽流量的确定，单宽流量决定孔口的重要指标，单宽流量的选定，应综合考虑地质、枢纽布置和消能设计等条件，单宽流量越大，孔口净宽越小，从而减少溢流坝长度和交通桥、工作桥等造价，但是单宽流量越大，单位宽度下泄水流所含的能量越大，消能越困难，下游冲刷可能越严重，其主要及大坝的安
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全，根据国内工程实践得知：软弱基岩常取q=20～50 m3/（s*m），较好基岩取q=50～70 m3/（s*m），特别坚硬完整的基岩取q=100～150 m3/（s*m），因此溢流段由下式确定：L=Q/I式中，L——溢流段净宽，溢流坝的下泄流量Q取校核下泄量：245527m3/s，g取110 m3/（s·m），所以：L=Q/g=245527/110=223m。
（2）孔口尺寸。①溢流前端总宽度L，对于堰顶设闸门的溢流段分成若干个等宽的溢流孔口，孔口数n取15，则孔口净宽b=L/n=223/15=14.8m，取15m，含闸墩厚度d=3m，则溢流前端总长L0为： L0=nb+（n-1）d=15×15+（15-1）×3=267m
②溢流坝的堰顶高程：由调洪演算求出设计洪水位153.7m，相应下泄流量Q为18276 m3/s。当采用开敞式溢流时可利用公式（2—67）式，计算出堰顶水头H0，单位m，公式选自教材《水工建筑物》。
Q=cmεσL[（2gH）1/2]3k （2—67） 式中：Q——下泄流量，m3/s；
L——溢流堰净宽，225m；
H0——堰顶的作用水头，m；
g——重力加速度，9.8m/s； m——流量系数，取0.5；
c——上游面板影响修正系数，取1.0； ε——侧收缩系数，取0.95； fs——淹没系数，取1.0。
通过计算，H0=11.43
堰顶高程为153.7～11.43<142.27为，取142m。 5. 闸门和启闭机
工作闸门采用弧形闸门，其优点是启闭力小，间墩较薄，且无门槽，水流平顺，闸门开启时，水流条件较好，闸门尺寸长为闸孔，宽15m，宽高比D/H取1.5，则高为10m。
启闭机采用固定式，固定在工作桥上。
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1.1.2 溢流曲线和剖面设计
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溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和下部弧线段三部分组成。 1. 顶部曲线段的形状对泄流能力和流态有很大影响。
我国现行重力坝规范（DL5108～1999）推荐，当采用开敞式溢流孔时，采用幂曲线（WES）方程如下：（选自《水工建筑物》式）x2=KHn-1аy 式中Hа——定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax的75%～95%计算，K·n——与上游面倾斜坡度有关的参数。与上游面倾斜坡度有关的参数，当上游面垂直时，K=2.0，n=1.85，x,y以溢流坝顶点为原点的坐标轴，x以下游为正，r以上游为正。
坐标原点的上游段采用复合圆弧与上游坝面连接，取校核洪水位156.3时，Hmax=156.3-142=14.3m，则Hа为14.3×（75%～95%）=18.73～13.59m，设计取13m，幂曲线方程为：x1.85=2×131.85y=17.696y： x y 0 0 5 1.110 10 4.001 15 8.470 20 14.422 25 21.793 30 30.335 35 40.612 2. 原点上游曲线的确定
将幂曲线上游线做成圆心、圆弧形、半径R3的圆弧与垂直的上游面相切。 R1=0.5Hа=6.5m，x1=0.175 Hа=2.275m R2=0.2Hа=2.6m，x2=0.276 Hа=3.588m R3=0.04Hа=0.52m，x3=0.282 Hа=3.666m 3. 溢流坝面的绘制
溢流坝面的剖面是在重力坝基本剖面的基础上，按所造溢流面曲线的形状进行修改而成的，按下述步骤进行绘制：
（1）绘出溢流面曲线：取坐标原点为堰顶最高点，根据上述坐标值，在图纸上画出原点上、下游面线段。
（2）求出基本剖面并与溢流曲线配合，按前述数据，绘出重力坝的基本剖面（三角形），使斜边（下游坝面）与溢流曲线相切于C点，根据坝顶曲线为幂曲线方程与下游坝面直线斜率，可根据解析法求得C点的坐标：
双幂曲线方程xk=K Hn-1аy求一次导数，使其值等于直线斜率1/m。求设计下游坡率为0.7。
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y=xk/K Hn-1а y’=n xk-1/K Hn-1=1/m xk-1= K Hn-1/kn
x=[K/mn]n-1Hа将数据K=2.0，n=1.85，m=0.7，Hа=13代入上式，得x=[2.0/0.7×1.85]1.85-1×13=18.810m
代入幂曲线方程：xk=K Hn-1аy得yc=12.875m
基本剖面在与溢流面配合中，坝基岩体较差，基本剖面较大，溢流面曲线在基本剖面内，将上游坝面做成折线形，使坝底、宽等于基本剖面底宽。
（3）绘制反弧：选定反弧段的半径R，画圆弧与直线相切于D点，与挑流鼻坎顶点相切于E点。
反弧半径的大小与反弧段的大小与反弧段的流速、水深及消能方式有关，一般讲，反弧愈大，反弧段的流速分布愈均匀，动力压强愈小，与下游的衔接愈好，若为挑流消能时，Q值应不大于（5～6）hc（hc为反弧段最低点处的水深），一般采用Q=（8～12）hc较好，若为底流消能时，宜采用Q=10 hc。
本设计消能方式采用挑流消能，挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向 空中抛射，使水流扩散，并渗入大气空气，然后跌入下游河床水垫后，形成强烈的旋滚，并冲刷河床形成冲坑，随着冲坑逐渐加深，水垫愈来愈厚，大部分能力消耗在水滚的摩擦中，冲坑逐渐趋于稳定，挑流式消能比较简单经济，但下游局部冲刷不可避免，一般适用于基岸比较坚固的高坝或中坝。
挑流鼻坎的挑射角Q：根据试验，一般采用Q=15°～20°，挑坎高程应高出下游水位1～2m，本设计取Q=20°。
反弧段圆弧下圆心：先画一条与坝的下游面相距为Q的平行线，再画一条与挑坎顶点相距为Q的水平线，二线的交点，即为所求的圆心。
若挑坎超出基本剖面以外长度L与挑坎高k的比大于0.5时，应用构造柱将挑坎与坝体分开，并验算挑坎的稳定性，本设计采用L/k=0.4。
根据水利学能量方程原理，求出kc。
（1）挑坎高程：求下游挑坎高度k——由下游水位、定即k=（下游设计原水位-坝基高程）+（1～2）m=（97-90）+1=28
（2）求出反弧段最低点的高程：拟定挑坎的超出基本剖面以外的长度L挑坎高H的比值为0.4，挑流鼻坎的挑流射角为200；则L=0.4k=11.2m，H=28-11.2×tgθ20°=23.92m。